Fermento aktyvusis centras

Fermentai – įvairios molekulinės masės ir paprastieji, ir sudėtiniai baltymai. Fermento molekulė yra daug kartu didesnė už substrato molekulę, todėl reakcija vyksta ne visame fermento molekulės paviršiuje, bet tam tikroje srityje, vadinamoje aktyviuoju centru. Aktyviajam centrui yra būdinga erdvinė struktūra, t. y. tos aminorūgščių liekanos, kurios sudaro aktyvųjį centrą, yra išsidėsčiusios įvairiose fermento pirminėse struktūros vietose. Kai, formuojantis tretinei fermento struktūrai, polipeptidinė struktūra susilanksto, šios liekanos priartėja viena prie kitos, sudarydamos aktyvųjį centrą. Fermento molekulėje gali būti vienas ir daugiau aktyviųjų centrų. Paprastai jie yra fermento paviršiaus plyšyje. Aminorūgščių liekanų skaičius įvairių fermentų aktyviuosiuose centruose yra skirtingas. Aktyviajame centre vidutiniškai yra apie 12–16 aminorūgščių liekanų. Aktyvusis centras sąlygiškai skirstomas į dvi sritis: substratą prijungiančią ir katalizinę sritį. Substratą prie aktyviojo centro prijungia visų rūšių silpnosios sąveikos (vandenilinis ryšys, hidrofobinė sąveika, elektrostatinė ar joninė sąveika, van der Valso sąveika), o retesniais atvejais – ir kovalentinė sąveika. Fermentui prisijungus substratą, susidaro fermento-substrato kompleksas, kuris žymimas ES, čia E – fermentas, S – substratas. Substratą prijungiančios srities aminorūgščių liekanos pakreipia substrato molekulę taip, kad, veikiant katalizinės srities aminorūgščių liekanoms, ji virsta produktu. Ne visos aktyviojo centro aminorūgščių liekanos yra vienodai svarbios fermentinei katalizei. Visi sudėtiniai fermentai ir kai kurie paprastieji yra aktyvūs tik tada, kai yra prisijungę tam tikras nebaltymines molekules arba jonus. Tokios fermentinei katalizei būtinos molekulės arba jonai vadinami kofaktoriais. Kofaktoriai prijungiami tam tikroje aktyviojo centro vietoje.

Fermentui prisijungus substratą, susidaro daug silpnųjų tarpmolekulinių sąveikų arba kovalentinių ryšių, t. y. aktyviajam centrui būdingas komplementarumas substratui. Yra pasiūlyti du modeliai, aiškinantys, kaip fermentas prisijungia substratą ir susidaro fermento-substrato kompleksas. Pirmąjį dar 1894 m. pasiūlė Emilis Fišeris ir jį vaizdžiai pavadino „spynos ir rakto“ modeliu. Remiantis šiuo modeliu, fermentas gali prisijungti substratą, jei aktyviojo centro erdvinė struktūra atitinka substrato struktūrą taip, kaip raktas atitinka spyną. Tai vyksta tuo atveju, kai sąveikos su substratu metu fermento aktyviojo centro aminorūgščių liekanų erdvinė padėtis nekinta, t. y. aktyviojo centro trimatė padėtis pastovi. Prijungto substrato molekulė įgauna konformaciją, būdingą pereinamajai būsenai. Šį modelį galima taikyti tik nedaugelio fermentų veikimui aiškinti, paprastai tų, kurie prijungia tik vieną substratą. Antrasis fermento-substrato komplekso susidarymo modelis vadinamas „indukuoto atitikmens“ modeliu. Jis teigia, kad fermento aktyviojo centro ir substrato molekulės erdvinės struktūros yra kintančios. Aktyvusis centras įgyja formą, atitinkančią substrato molekulės formą tada, kai prie jo priartėja substrato molekulė. Keičiantis erdvinei fermento struktūrai, aktyviojo centro aminorūgščių liekanos užima tokią padėtį, kuri palankiausia ES kompleksui susidaryti ir substrato molekulę pakreipti katalizinių grupių link. Aktyviojo centro aminorūgščių liekanos keičia elektroninio debesies tankį prijungto substrato molekulėje, todėl sumažėja pereinamosios būsenos standartinė laisvoji energija (∆G°^‡). Įvykus katalizei, produktas palieka aktyvųjį centrą. Tai įvyksta todėl, kad tam tikrieji ryšiai, jungiantys produktą su aktyviuoju centru, lengvai nutrūksta.

Aktyvinto fermento-substrato kompleksui susidaryti ir jam virsti produktu yra svarbūs šie katalizės mechanizmai:

1) rūgštinė-bazinė katalizė;

2) kovalentinė katalizė;

3) metalo jonų katalizė;

4) elektrostatinė katalizė;

5) grupių artumo ir orientavimosi reiškiniai;

6) pereinamosios būsenos substrato prisijungimas.

Kuris šių mechanizmų yra svarbiausias katalizei, priklauso nuo fermento aktyviojo centro ir substrato struktūrų. Gali būti, kad, vykstant fermentinei reakcijai, yra svarbūs keli katalizės mechanizmai. Yra skiriamos 6 fermentų klasės: oksidoreduktazės, katalizuojančios oksidacijos-redukcijos reakcijas, transferazės – grupių pernaša, hidrolazės – molekulių hidrolinių ryšių skaidymas, lipazės – padeda sudaryti dvigubuosius ryšius, izomerazės – grupių pernaša molekulių viduje, ligazės (sintetazės) – naujų cheminių junginių susidarymas. Reakcijos greitis yra substrato ar produkto koncentracijos pokytis per laiko vienetą, kuris išreiškiamas tarptautiniais vienetais (U) ar katalais (kat).

Šaltinis | Dažniausiai vartojamų biomedicinos terminų ir sąvokų aiškinamasis žinynas | Lietuvos sveikatos mokslų universitetas | Akademikas Profesorius Antanas Praškevičius, Profesorė Laima Ivanovienė